油气回收冷凝段直流无刷压缩机控制及性能分析

郭 强,祝清杰

(常州大学石油工程学院,江苏常州213016)

“冷凝+吸附”是目前较为常用的油气回收方式之一[1],且其油气回收系统中制冷设备均使用AC220V市电提供电力驱动。近年来,太阳能光伏发电技术已日趋成熟[2],而直流无刷电机以其性能高、可靠性强等特点也广泛应用于各种调速驱动场合[3]。为此,项目组开发制作了一套处理量为5m3/h的采用太阳能光伏发电,产生直流电后由直流电直接驱动的 “冷凝+吸附”油气回收系统样机。由于该系统使用了新能源太阳能,采用了直流电运行模式,所以该项工作的研究具有一定的现实意义。整个装置中,冷凝段的制冷设备所采用的直流无刷电机驱动的涡旋压缩机的动力提供及运行控制成为开发研究的重要部分。

1 油气回收系统样机概况

系统样机由太阳能光伏电池组件、蓄电池组、直流升压电源、直流无刷压缩机、驱动控制器、冷凝风机、冷箱、真空泵和吸附罐等组成。样机的工作过程为:通过太阳能光伏组件将太阳能转化成直流电,经过直流升压电源升压后供给直流无刷压缩机,制冷压缩机制取的冷量用于冷却待回收的油气,没有被冷凝回收的剩余油气则通过吸附罐进行吸附,从而有效地回收油气,其回收率可达99%[4]以上。这里主要介绍系统样机冷凝段制冷设备的直流无刷压缩机。

直流无刷压缩机是冷凝段制冷设备中的核心部件,它的选择和控制显得尤为重要。结合黄维秋教授有关 “油气回收”课题组在中国石化九江分公司的一组实测数据[5-6],以及该油气回收系统需要处理5m3/h的回收气量,确定采用某直流无刷涡旋压缩机 (型号:ZS1216D1),其主要性能参数如下:

额定功率:1.25 kW

制冷量:0.96 kW

额定转速:3450 r/min

额定电压:310V(DC)

COP:1.24W/W

制冷剂:R404A

2 冷凝段直流无刷压缩机的电力提供

压缩机的电力供应设备主要包括太阳能光伏组件、蓄电池组、充电控制器和4kW直流升压电源。光伏电池组件由24块多晶硅电池板构成,每块电池板规格为12V 85W。蓄电池组包括8块铅酸免维护蓄电池 (型号:6-CNFJ-120),其容积为12V 120AH。充电控制器 (类型:DC48V 60A)将光伏电池输出的不稳定的直流电压变换成蓄电池可接受的稳定的电压或电流,实现蓄电池的恒流和恒压充电模式。直流升压电源的直流输入电压为48V,直流输出电压为310V。白天太阳能辐射充足时,太阳能光伏电池组件将太阳能转换成48～56V直流电,经过直流升压电源升压到310V直流电供给直流无刷电机运行;光伏电池发出的多余电能通过充电控制器变换成稳定的电压或电流,储存在蓄电池组之中。在夜间或阴雨天气太阳能辐射不足时,蓄电池组中储存的电能经升压电源升压后继续为压缩机提供电力。

3 冷凝段直流无刷压缩机的控制

3.1 压缩机电机的控制原理

制冷装置的压缩机采用的是Texas Instrument公司生产的LM3S618LQF控制芯片。它有30个数字可编程输入/输出 (I/O),32Bit数据总线宽,32K×8程序储存器,6×10b数据转换器A/D,RAM高精度PWM发生器,多个监视定时器以及外围设备(欠压检测/复位,POR,PWM,WDT)等。通过芯片的控制,可以实现转子位置检测,PWM的输出控制,电机的过电流、过/欠电压保护,过热保护。

经直流升压电源升压后得到的310V直流电,供给压缩机驱动控制器的SIPM(System Intelligent Power Module)模块来控制电机的运转。同时,310V直流电通过高频变压器产生一个15V的开关电源和5V的线性电源供给驱动模块和单片机工作。电机控制器控制电路中,当电压、电流、温度正常的情况下,MCU通过检测外部的控制频率信号来控制U、V和W三相,然后根据转子位置的检测输出信号控制换相,保证电机有一定的转距。如果MCU检测出有异常情况就立即使电机停止工作,直到电压、电流、温度都恢复正常为止。

3.2 压缩机电机的控制系统[7-10]

三相全控方式为两两导通方式 (或称为120°导通方式),即在任意时刻,H和L桥臂各有一个功率管导通。每隔1/6周期换相一次,每次只换相一个功率管,同时每个功率管导通120°电度角。同时采用等宽PWM脉冲 (即V相位周期相同占空比相同的矩形波)调制方式,来控制电机的转速。并且只需要改变PWM波的占空比,就可以改变电机转速。然后经过电弧度延时处理后,就可以确定出换相时刻,导通相应功率管进入下一个状态,按此顺序便可以保证电机沿固定方向旋转起来。

该控制器采用端电压检测法 (反电动势过零检测法)来检测转子位置。图1为基于端电压的反电动势过零点检测的原理简图。对于一个直流无刷电机驱动系统来说,在任何情况下都只有两相导通,而另外一相为关断相,处于关断相的绕组正好在关断期间反电动势过零。端电压信号经过滤波、电容搁直和电压滞回过零比较器调理之后,送到DSP的对应端,从而判断出转子的位置。

3.3 压缩机电机的软启动[11-12]

电机启动采用三段式预定位启动:(1)强迫预定位阶段,形成一个预定的位置;(2)加速阶段,不断增加信号频率和电机电压使转子逐渐提高转速;(3)状态切换阶段,用转子位置信号取代同步信号实现运行切换。

采用电机软启动可减小电机硬启动引起的供电压压降,使之不影响同系统其他设备的正常运行,同时可降低启动电流,减轻硬启动带来的机械冲力和冲力加速所带来的传动机械磨损。另外,驱动控制器具有调节延时时间的功能,可设定延时6～8s,保证压缩机电机正常平稳启动。

图1 反电动势过零点检测电路原理Fig.1 The Principle of back-EMF zero-crossing detection circuit

4 冷凝段直流无刷压缩机的性能分析

常温情况下,将制冷装置接入310V直流升压电源,直流无刷变速压缩机的冷却能力、输入功率和工作电流随蒸发—冷凝温度的变化情况如图2、3、4所示。

通过图2可以看出,在相同的冷凝温度情况下,直流无刷压缩机的冷却能力随着蒸发温度的升高而增强;在相同的蒸发温度下,直流无刷压缩机冷却能力随着冷凝温度的升高而减弱,并且减弱的程度越来越大。这说明冷凝温度的升高,导致制冷剂R404A在蒸发冷凝时吸收周围热量的能力降低,从而使压缩机的制冷量减少;蒸发温度的升高,会致使制冷剂R404A的循环量增加、压缩机的输气量增加,这就增大了压缩机的制冷量。

从图3和图4可知,在蒸发温度不变时,冷凝温度升高使制冷剂的循环速率加快,进而制冷剂的循环流量也会增加,促使压缩机的输气量变大,造成压缩机的输入功率增大,工作电流也会增大;当冷凝温度相同时,随着蒸发温度的升高电机的输入功率和工作电流都会不同程度的降低,这说明蒸发温度上升导致压缩机吸气温度升高,吸入的过热制冷剂再经等熵压缩后其温度必然升高,即排气温度升高,结果使制冷剂的流速减慢,压缩机的输气量减少,其输入功率和工作电流也随之减小。

图2 压缩机冷凝能力与蒸发—冷凝温度的关系Fig.2 The relation of compressor cooling capacity and evaporation-condensation temperature

图3 电机输入功率与蒸发—冷凝温度的关系Fig.3 The relation of motor input power and evaporation-condensation temperature

图4 压缩机工作电流与蒸发—冷凝温度的关系Fig.4 The relation of compressor operating current and evaporation-condensation temperature

图5中曲线变化反映出:随着蒸发—冷凝温度的升高,制冷装置压缩机的性能系数 (COP)逐渐增大;随着蒸发—冷凝温度的降低,其COP不断减小。根据公式,并结合图2和图3中制冷量和功率的变化情况可以得知,当冷凝温度不变时,COP随蒸发温度的升高而增大;当蒸发温度不变时,随冷凝温度的升高而减小。

该油气回收系统样机冷凝段的制冷装置采用蒸发温度为-30℃,冷凝温度为45℃的回收温度进行油气回收,不仅能够满足系统对冷量的需求,而且具有较好的节能效果。同时在此蒸发—冷凝温度下,其油气回收率可达到63%以上,基本符合项目组对样机的设计要求。

图5 COP与蒸发—冷凝温度的关系Fig.5 The relation of COP and evaporation-condensation temperature

5 总结

通过对直流无刷压缩机进行简单的介绍,可以了解到直流无刷压缩机的工作原理和控制方法,同时也实现了压缩机的软启动,减轻了因硬启动对机体本身的磨损。另外,根据直流无刷压缩机在实际油气回收制冷装置中的工作情况分析,得出了直流无刷压缩机在不同的冷凝温度和蒸发温度情况下其参数的变化规律,为直流无刷压缩机性能的提高提供了依据,也为直流无刷压缩机应用于油气回收制冷装置之中起到了一定的推广作用。

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